guia de refuerzo.potencial eléctrico

COLEGIO INTEGRADO NUESTRA SEÑORA DE LAS MERCEDES – LEBRIJA
AREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACION AMBIENTAL FISICA UNDÉCIMO GRADO
PROF. Annie Julieth Delgado Molina.
PROFUNDIZA CONCEPTOS SOBRE POTENCIAL
ELECTRICO
1. Establezca la diferencia entre potencial eléctrico y
energía potencial eléctrica. Energía potencial eléctrica
es la energía que posee un sistema de cargas eléctricas
debido a su posición, en cambio el potencial eléctrico es
la cantidad de energía potencial eléctrica que hay
por una unidad de carga, en un punto. También se
puede entender por potencial eléctrico en un punto al
cociente entre el trabajo que hay que hacer para mover
una carga desde el infinito, hasta el punto, y la carga
que se mueve.
2. Una carga negativa se mueve en dirección de un
campo eléctrico uniforme. ¿La energía potencial de la
carga aumenta o disminuye?, ¿ésta se mueve a
una posición de potencial mayor o menor?
Si se mueve en la dirección del campo, podemos
suponer que se mueve desde las cercanías de una carga
positiva hacia una carga negativa (o desde cerca de una
carga negativa a un lugar aún más cercano), entonces al
ser negativa la carga que se mueve va a ir frenando,
disminuyendo su velocidad, en consecuencia su energía
potencial
aumenta
(ya
que
disminuye
su
energía cinética). Y, se mueve de un potencial eléctrico
mayor a uno menor, esto se justifica debido a que se
acerca a una supuesta carga negativa.3.
3. Proporcione una explicación física del hecho de que la
energía potencial de un par de cargas iguales es positiva
mientras que la correspondiente a un par de cargas
diferentes es negativa. La energía potencial negativa
corresponde a un sistema atractivo, y si es positiva
corresponde a uno repulsivo. Un par de cargas del
mismo tipo se repelen entre sí, y si son de diferentes
tipos se atraen entre sí.
4. Un campo eléctrico uniforme es paralelo al eje x. ¿En
qué dirección puede desplazarse una carga en este
campo sin que se haga ningún trabajo externo sobre
la misma?
Debe moverse entre puntos de igual potencial, así el
trabajo
será
nulo.
Esto
ocurre
en
dirección perpendicular al campo eléctrico.
5. Explique por qué las superficies equipotenciales son
siempre perpendiculares a las líneas decampo eléctrico.
Si una línea de campo no fuera perpendicular a una
superficie equipotencial, entonces tendría una
componente paralela a la superficie, y si quisiera mover
una carga en la dirección de esa componente del campo
se tendría que realizar trabajo. Pero eso contradice
el concepto de superficie equipotencial, en una
superficie equipotencial se pueden mover cargas sin
realizar trabajo.
6. Describa las superficies equipotenciales para a) una
línea infinita de carga, b) una esfera cargada
uniformemente.
Una superficie equipotencial a una línea infinita de
carga sería un cilindro de altura infinita con la línea de
carga en su eje central. Una superficie equipotencial en
torno a una esfera cargada uniformemente es otra
esfera concéntrica a la que posee la carga.
7. Explique por qué, en condiciones estáticas, todos los
puntos en un conductor debe estar al mismo potencial
eléctrico. Si hay dos puntos de un conductor que tienen
diferente potencial eléctrico, entonces una carga
eléctrica (un electrón por ejemplo) se movería entre las
cargas y se registraría una corriente eléctrica, pero se
está diciendo que se está en condiciones estáticas, y en
esa condición no puede haber corriente eléctrica.
8. ¿Por qué es importante evitar los bordes o puntos
afilados sobre conductores utilizados en equipos de alto
voltaje?
En los bordes y puntas se acumula mucha carga
eléctrica, por lo tanto en las cercanías de esos lugares se
registra un gran potencial eléctrico, y si nos acercamos a
ellos con nuestro potencial cero, por estar en contacto
con tierra, establecemos una gran diferencia de
potencial y, por ello, puede producirse una descarga
eléctrica desde el punto de alto potencial al de
potencial cero (nosotros) y recibiríamos la descarga.
10. ¿Cuál es la seguridad relativa al permanecer en un
automóvil con una carrocería metálica durante una
intensa tormenta?
Si nos llega un rayo, Desde el punto de vista
eléctrico tendríamos bastante seguridad, debido a que
la carrocería metálica actúa como jaula de Faraday, en
donde la carga eléctrica que acumule queda en su
exterior. Pero térmicamente estaríamos en gran peligro.
11. Caminar sobre una alfombra y tocar después a
alguien puede producir una descarga eléctrica. Explique
la razón por la que ocurre lo anterior.
Al caminar sobre una alfombra nos estamos cargando
electrostáticamente, por fricción, y así cualquier parte
de nuestro cuerpo queda con carga, con potencial
eléctrico diferente de cero. Si así tocamos a una
persona, esa persona puede estar con potencial cero, y
habría entre ambas personas una diferencia de
potencial que puede traducirse en una descarga
eléctrica.
EJERCICIOS MODELO
¿Qué potencial existe en un punto de un campo
eléctrico si el campo tuvo que efectuar un trabajo de
0,24 J para trasladar una carga de 8 μ C desde ese punto
hasta el infinito?
Datos: W = 0,24 J q = 8x10-6C
V 1= ? V2= 0 V (en el
infinito)
W = q(V1 – V2) = q. V1 = W/q = 0,24 J / 8 x10-6C
w= 30.000 J.
2.Entre dos puntos de un campo eléctrico existe la
diferencia de potencial de 2000 V. ¿Qué trabajo se
efectúa al trasladar una carga de 25μC entre esos
puntos?
Datos: V = 2.000 V
q = 25x10-6C W = ?
W = q(V1– V2)W = 25x10-6C x 2.000 V
w= 0,05 J.
a = q(V1– V2)/md
= 1,6x10-19C x 1 V / (9,1x10-31kg x 0,01 m)
a = 1,758 m/s2
5. En un vértice de un rectángulo de 3 por 4 cm se
coloca una carga de -20x10-12C y en los dos vértices
contiguos, sendas cargas de 10-12 C. Hallar el potencial
eléctrico en el cuarto vértice
V = V1 + V2+ V3
V1= 9x109Nm2/c2x -20x10-12C / 0,05 m
V1= - 3,6 V
V2= 9x109Nm2/c2x 1-12C / 0,03 m
= 0,3 V
V3= 109Nm2/c2x 10-12C / 0,04 m = 0,225 V
V = - 3,6 V + 0,3 V + 0,225 v = - 3,075 V
6. Calcular el potencial eléctrico en el punto medio
entre dos cargas separadas 6 m en el
airecuando las cargas son: 10-8y -10-8C,
3. Para trasladar una carga eléctrica desde un punto
a 220 V y la tierra se efectuó un trabajo de 11millones
de Joule. ¿Qué carga pasó a tierra?
Datos: V1= 220 V V2 = 0 V (tierra) W = 11.000.000 J
W = q(V1– V2)
q = W/(V1– V2)
q= 11.000.000 J / (220 V – 0 V)
q =50.000 C
4. Calcular la aceleración que adquiere un electrón que
se desplaza entre dos placas situadas en el vacío a 1 cm
entre sí y entre las que existe la diferencia de potencial
de 1 V?
Datos: q = - 1,6x10-19C
melectrón= 9,1x10-31kg
d = 0,01 m
V=1V
W = Fd = m.ad
W = q(V1– V2)
Entonces: m.a.d = W = q(V1– V2)
Se considerará solo la magnitud de la carga del electrón.
a) Datos: q1= 10-8C q2= - 10-8C
R 1= 3 m R2= 3 m
V1= 9x109Nm2/c2x 10-8C / 3 m
= 30 V
V2= 9x109Nm2/c2x -10-8C / 3 m
= - 30 V
V = V1+ V2
= 30 V – 30 V = 0 V
Zona de Entrenamiento
1.Cuatro cargas de -8, 10, 5 y -3 µc, están ubicadas en
los vértices de un cuadrado de lado 5 cm(en ese orden,
partiendo del vértice superior izquierdo). Determine: a)
el potencial en el punto medio del cuadrado, b) la
energía almacenada en el sistema.
R/ 338,6 V
2. ¿Qué cambio de energía potencial experimenta una
carga de 12μC cuando se mueve entre dos puntos para
los cuales la diferencia de potencial es de 65 V?. Exprese
su respuesta en eV.
a) Calcule la velocidad de un protón que es acelerado
desde el reposo a través de una diferencia de potencial
de 120 V.
b) Calcule la velocidad de un electrón que se acelera a
través de la misma diferencia de potencial.
3. Un deuterón (un núcleo que contiene un protón y un
neutrón) se acelera mediante una diferencia de
potencial de 2.700 V, a) ¿cuánta energía gana?, b) ¿a
qué velocidad llega si parte del reposo?
4. Dos placas paralelas están separadas por 0,3 mm. Si
se mantiene una diferencia de potencial de 20 V entre
sus placas, calcule la intensidad de campo eléctrico en la
región entre ellas.
5. La magnitud de un campo eléctrico entre dos placas
paralelas cargadas separadas por 1,8 cm es de 2,4x10
4N/C. Encuentre la diferencia de potencial entre las dos
placas. ¿Cuánta energía cinética gana un deuterón al
acelerarse de la placa positiva a la negativa?
6. Un electrón que se mueve paralelo al eje x tiene una
velocidad inicial de 3,7x106m/s en el origen. Su
velocidad se reduce a 1,4x105m/s en el punto x = 2 cm.
Calcule la diferencia de potencial entre el origen y
este punto. ¿Cuál punto está a mayor potencial?
7. Un positrón tiene la misma carga que un protón pero
la misma masa que un electrón. Suponga que un
positrón se mueve 5,2 cm en la dirección de un campo
eléctrico uniforme de 480 V/m. A) ¿Cuánta energía
potencial gana o pierde el positrón?, b) ¿Cuánta energía
cinética?
8. Tres cargas están en los vértices de un triángulo
isósceles, en los vértices de la base de 2 cm hay sendas
cargas – q y en el otro vértice hay una carga q, los lados
basales miden 4 cm. Calcule el potencial en el punto
medio de la base, considerando q = 7 μC.